Ústav fyzikální elektroniky Prírodovedecké fakulty Masarykovy univerzity FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM F6300 Pokročilé praktikum z elektroniky Návod Úloha č. 4: Zapojenia s OZ 1. Uvod Operačný zosilovač (OZ) je obvod, ktorého výstupné napätie je mnohonásobne väčšie ako rozdiel potenciálov medzi jeho dvoma vstupmi. Ak je potenciál neinvertujúceho vstupu vyšší ako potenciál invertujúceho, je na výstupe kladné napätie a naopak. Okrem vstupných a výstupných svoriek má OZ taktiež svorky na napájanie. Schému OZ vidíme na obrázku 1. O) > invertuj úci 0- neinvertujúci <>+Ucc 4-Ucc Obr. 1: Schéma OZ Ideálny OZ má nekonečne veľký vstupný odpor, nulový výstupný odpor a nekonečné napäťové zosilenie. Reálne OZ tieto požiadavky splňujú len čiastočne. Vašou úlohou je overiť funkciu niektorých zapojení s OZ. 2. Meranie 2.1. Invertujúci zosilovač Invertujúci zosilovač zapojte podľa schémy na obrázku 2. Pre zosilenie A pre invertujúci zosilovač platí: A U2 _ R2 Ul ~ ~RÍ R2 Obr. 2: Invertujúci zosilovač Tento vzťah budeme overovať pre rôzne veľkosti odporov Rl a R2. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme generátor striedavého napätia. Frekvenciu nastavíme na 1,6 kHz a tvar funkcie sínus (sine). Vstupné napätie voľte tak, aby amplitúda výstupného napätia bola menšia ako 10 V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou osciloskopu. Odpory vyberajte z rozsahu 1 kíl až 1 Míž. Zvoľte niekoľko kombinácii Rl a R2 tak, aby ste dosiahli rôzne hodnoty zosilenia A. Taktiež overte, že zosilenie závisí len na pomere odporov. Nastavte rovnaké zosilenie inou veľkosťou odporov (napr. Rl' = 10R1 a R2' = 10i?2). Pre každú kombináciu odporov zmerajte zosilenie aspoň pre dve rôzne hodnoty vstupného napätia. Na obrazovke osciloskopu overte, že vstupné a výstupné napätie majú pri invertujúcom zosilovači opačnú fázu. 2.2. Neinvertujúci zosilovač Neinvertujúci zosilovač zapojte podľa schémy na obrázku 3. Pre zosilenie A pre neinvertujúci zosilovač platí: , t/2 1 R2 A = — = H-- Ul Rl Tento vzťah budeme overovať pre rôzne veľkosti odporov Rl a R2. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme generátor striedavého napätia. Frekvenciu nastavíme na 1,6 kHz a tvar funkcie sínus (sine). Vstupné napätie voľte tak, aby amplitúda výstupného napätia bola v rozsahu 5 - 10 V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou osciloskopu. Odpory vyberajte z rozsahu 2 1 kíž až 1 Mfž. Zvoľte niekoľko kombinácii Rl a R2 tak, aby ste dosiahli rôzne hodnoty zosilenia A. Opäť overte, že zosilenie závisí len na pomere odporov. Nastavte rovnaké zosilenie inou veľkosťou odporov (napr. Rl = 10R1 a R2 = 10i?2). Pre každú kombináciu odporov zmerajte zosilenie aspoň pre dve rôzne hodnoty vstupného napätia. Na obrazovke osciloskopu overte, že vstupné a výstupné napätie majú pri neinvertujúcom zosilovači rovnakú fázu. 2.3. Napäťový sledovač Obr. 4: Napäťový sledovač Napäťový sledovač je jednoduchý elektrický obvod, ktorý vstupný signál prepustí bez zosilenia (A = 1). Slúži ako prvok s veľkým vstupným odporom, vďaka čomu nasledujúce prvky nezaťažujú zdroj signálu ani pri veľkom výstupnom výkone. Napäťový sledovač zapojíme podľa schémy na obrázku 4. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme generátor striedavého napätia. Frekvenciu nastavíme na 1,6 kHz a tvar funkcie sínus (sine). Vstupné napätie sa môže pohybovať v rozsahu 5 - 10 V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou osciloskopu. Zmerajte zosilenie aspoň pre tri rôzne hodnoty vstupného napätia. Na obrazovke osciloskopu overte, že vstupné a výstupné napätie majú rovnakú fázu aj amplitúdu. 2.4. Dolnofrekvenčný priepust Dolnofrekvenčný priepust je elektrický obvod, ktorý tlmí vysoké frekvencie vstupného signálu a prepúšťa nízke. Zapojíme ho podľa schémy na obrázku 5. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme generátor striedavého napätia. Vstupné napätie sa môže pohybovať v rozsahu jednotiek V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou osciloskopu. Odpory vyberajte z rozsahu 1 kíl až 1 Míž, kapacita kondenzátora by mala byť rádovo desiatky až stovky nF. Frekvenciu nastavte na 20 Hz a postupne ju zvyšujte, pričom zaznamenávajte zosilenie. Šírka pásma je určená medzným kmitočtom, pri ktorom dôjde k poklesu zosilenia o 3 dB, tzn. že amplitúda výstupného napätia klesne na 0,707 pôvodnej hodnoty nameranej pri nízkych kmitočtoch. Za medzný kmitočet považujeme frekvenciu, pri ktorej pre zosilenie platí: A~ Ul A-MAX V2 Z nameraných dát určte medzný kmitočet. 3 c R2 Obr. 5: Dolnofrekvenčný priepust 2.5. Zdroj prúdu riadený napätím / Zdroj napätia riadený prúdom Zdroj prúdu riadený napätím záťaž Obr. 6: Zdroj prúdu riadený napätím Pomocou OZ môžeme vytvoriť aj zdroj prúdu riadený napätím. OZ zapojíme podľa schémy na obrázku 6. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme zdroj jednosmerného napätia. Vstupné napätie sa môže pohybovať v rozsahu jednotiek V. Veľkosť vstupného napätia budeme merať pomocou multimetrov. Odpor Rl nastavte na hodnotu 10 kíl a odpor Rzá,t na hodnotu 1 kíl. Aby bola zaistená správne činnosť, musí byť \U2\ < 10V. Overte platnosť vzťahu: ^zát -n m RÍ Vstupné napätie meňte od -10 do 10 V. Všimnite si, že prúd prechádzajúci záťažou izát nie je ovplyvnený veľkosťou odporu Rzát- Zmeňte Rzát na 10 kíl a overte toto tvrdenie. Ak Rzát > -Rl, zdroj saturuje a daný vzorec už neplatí. 4 Zdroj napätia riadený prúdom Obr. 7: Zdroj napätia riadený prúdom Inverzne môžeme pomocou OZ vytvoriť aj zdroj napätia riadený prúdom. OZ zapojíme podľa schémy na obrázku 7. Ako zdroj vstupného prúdu i\ použijeme zdroj jednosmerného prúdu. Vstupný prúd sa môže pohybovať v rozsahu jednotiek 111A. Veľkosť vstupného prúdu a výstupného napätia U2 budeme merať pomocou multimetrov. Odpor R2 nastavte na hodnotu 1 kíl. Overte platnosť vzťahu pre niekoľko hodnôt R2 a i\\ U2 Vstupný prúd meňte od -10 do 10 mA a zaznamenávajte napätie U2. 2.6. Schmittov klopný obvod Schmittov klopný obvod je špeciálny typ komparátora, ktorého výstup nie je závislý len na hodnote jeho vstupu, ale aj na stave, v ktorom sa pôvodne nachádzal. Táto vlastnosť sa nazýva napäťová hysterézia H. Na preklopenie do iného stavu nestačia rozdielne hodnoty vstupných napätí, je potrebné, aby tento rozdiel dosahoval minimálnu hodnotu H. Veľkosť hysterézie môžeme vypočítať ako: ±H = ±U. Rl sat R1 + R21 kde Usat je saturačné napätie operačného zosilovača. Schmittov klopný obvod zapojte podľa schémy na obrázku 8. Ako zdroj vstupného napätia Ul použijeme generátor striedavého napätia. Frekvenciu nastavíme na 1,6 kHz a tvar funkcie píla (triangle). Vstupné napätie sa môže pohybovať v rozsahu jednotiek V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou osciloskopu. Odpory vyberajte z rozsahu 1 kíl až 1 Míž. Na obrazovke osciloskopu sledujte velkosti vstupných napätí, pri ktorých dôjde k zmene výstupného napätia. Odčítajte hodnoty napätia pre horný a dolný bod a saturačné napätie. Zvoľte niekoľko kombinácii veľkostí Rl a R2 tak, aby ste dosiahli rôzne hodnoty hysterézie. 5 Ul Rl Obr. 8: Schmittov klopný obvod 6 2.7. Rozdielový zosilovač Rozdielový zosilovač zapojte podľa schémy na obrázku 9. Pre rozdielový zosilovač platí: U0 = ^(U2-U1) Tento vzťah budeme overovať pre rôzne veľkosti odporov Rl a R2. Ako zdroj vstupných napätí Ul a U2 použijeme zdroje jednosmerného napätia. Vstupné napätia sa môžu pohybovať v rozsahu jednotiek V. Veľkosť vstupného a výstupného napätia budeme merať pomocou multimetrov. Odpory vyberajte z rozsahu 1 kíl až 1 Mfž. Zvoľte niekoľko kombinácii Rl, R2, Ul a U2 a overte platnosť vzťahu. Všimnite si, že výstupné napätie je kladné, ak U2 > Ul. 7